成像技術(shù)的發(fā)展是推動(dòng)科技進(jìn)步的重要驅(qū)動(dòng)力,對(duì)外界能夠進(jìn)行高分辨率或超分辨率成像有助于人類(lèi)更深入地了解外部世界。光學(xué)成像分辨力客觀上受到衍射極限的物理限制,如何突破衍射極限實(shí)現(xiàn)超分辨成像,是眾多學(xué)科領(lǐng)域亟待解決的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。光瞳濾波技術(shù)是超分辨成像技術(shù)中的核心分支。目前成熟的光瞳濾波器主要是應(yīng)用二元光學(xué)加工工藝制作而成,也有研究者采用液晶空間光調(diào)制器作為光瞳濾波器實(shí)現(xiàn)超分辨效果,本文提出使用變形反射鏡(變形鏡)作為光瞳濾波器,實(shí)現(xiàn)超分辨效果。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),變形鏡能夠克服已有光瞳濾波器的局限性,光能損失小,使用靈活,無(wú)波長(zhǎng)和光偏振態(tài)限制。迄今為止,超分辨成像技術(shù)主要應(yīng)用于生物顯微鏡、激光加工系統(tǒng)及光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域,本文將超分辨技術(shù)思想創(chuàng)新性地應(yīng)用在提升人眼視覺(jué)性能,探索突破人眼視功能極限的途徑,具有實(shí)際應(yīng)用意義。圍繞本文的研究目的和研究方法,主要開(kāi)展了如下幾項(xiàng)核心工作。論文先后設(shè)計(jì)了兩種形式的相位型光瞳濾波器函數(shù):多項(xiàng)式型和Zernike多項(xiàng)式加權(quán)型。對(duì)得到的多項(xiàng)式光瞳濾波器函數(shù)分別用37單元和145單元的變形鏡進(jìn)行仿真擬合,仿真結(jié)果證明由于37單元變形鏡驅(qū)動(dòng)器單元數(shù)有限,導(dǎo)致分辨率過(guò)低,無(wú)法滿(mǎn)足所設(shè)計(jì)的相位結(jié)構(gòu)的精度要求;而145單元變形鏡極間距小,空間分辨率高,可以較好地?cái)M合設(shè)計(jì)的光瞳濾波器相位結(jié)構(gòu)。Zernike多項(xiàng)式型光瞳濾波器的設(shè)計(jì)中,運(yùn)用遺傳算法尋找全局最優(yōu)解,得到了符合設(shè)計(jì)要求的Zernike多項(xiàng)式光瞳濾波器。為了體現(xiàn)變形鏡的可編程性和靈活性,以及對(duì)比不同特性光瞳濾波器函數(shù)的超分辨性能,本章選取兩個(gè)Zernike多項(xiàng)式相位光瞳濾波器函數(shù)作為研究對(duì)象,一個(gè)光瞳濾波器(SR1)的超分辨因子(G_T)較小,超分辨效果較為明顯;另一個(gè)光瞳濾波器(SR2)的斯特列爾比(S)較大,光能損耗小。超分辨濾波器設(shè)計(jì)好后,依據(jù)不同階段的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?先后設(shè)計(jì)和搭建不同的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。各自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的核心工作原理是將變形鏡置于光學(xué)系統(tǒng)瞳面,通過(guò)程序控制變形鏡產(chǎn)生所需的超分辨光瞳濾波器相位面形,由波前傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量出射波前,測(cè)量結(jié)果與設(shè)定的波前位相進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)對(duì)比結(jié)果調(diào)整變形鏡面形,重復(fù)這一過(guò)程,直至變形鏡面形達(dá)到設(shè)計(jì)要求,完成對(duì)超分辨位相結(jié)構(gòu)的閉環(huán)擬合,實(shí)現(xiàn)超分辨效果。接下來(lái)進(jìn)行超分辨效果測(cè)試。首先進(jìn)行的是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)測(cè)試,得到衍射矯正和不同特性超分辨濾波器矯正下焦面處的光斑,對(duì)采集到的光斑做橫向截面曲線,對(duì)比發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)超分辨效果與理論計(jì)算基本相符,證明研究思路可行。然后重新搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分辨率板(USAF1951)上第6組第2個(gè)元素進(jìn)行超分辨效果測(cè)試,對(duì)CCD相機(jī)采集到的不同矯正條件下得到的圖像進(jìn)行處理,對(duì)比結(jié)果顯示變形鏡作為相位型光瞳濾波器,能夠?qū)D像產(chǎn)生超分辨效果,但由于主瓣的壓縮,旁瓣的增強(qiáng),導(dǎo)致超分辨成像對(duì)比度降低,圖像清晰度不高。進(jìn)一步,改進(jìn)自適應(yīng)超分辨光學(xué)系統(tǒng),重新設(shè)計(jì)性能更好的Zernike超分辨函數(shù),將本文提出的超分辨技術(shù)應(yīng)用于人眼視功能影響測(cè)試。在兩種不同超分辨光瞳濾波器調(diào)制下,先后對(duì)人眼點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)和對(duì)比敏感度函數(shù)(CSF)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明人眼點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)在不同光瞳濾波器的作用下會(huì)有不同變化,變化的規(guī)律符合預(yù)期超分辨效果。對(duì)比靈敏度函數(shù)測(cè)試結(jié)果及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)性分析表明,在光瞳濾波器(SR1)的矯正下,兩名被試的對(duì)比靈敏度函數(shù)增益均有顯著提升,而在另一個(gè)光瞳濾波器(SR2)的矯正下,人眼對(duì)比靈敏度函數(shù)并沒(méi)有獲得顯著性增益。針對(duì)這一結(jié)果,論文進(jìn)行了深入分析和討論。本文研究了一種新的超分辨光瞳濾波器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法,仿真和測(cè)試了不同情況下的超分辨效果,并測(cè)試了這種技術(shù)對(duì)于人眼視功能的影響,研究獲得了初步成果,但在這一過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了有待思考和解決的許多問(wèn)題,值得再做進(jìn)一步深入的鉆研。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TN713;TP391.41
【部分圖文】：

斑與點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)[2]。(a)艾利斑成像示意圖;(b)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)三維光強(qiáng)圖;(c)曲線;(d)艾利斑成像起初認(rèn)為只要把顯微鏡片制作得足夠精細(xì)，理論上可以觀察到然而，1873 年，德國(guó)物理學(xué)家阿貝（Ernst KarlAbbe）發(fā)現(xiàn)顯微辨率極限（Diffraction resolution limit）的約束[3][4]：任何完美的器能夠分辨的物體最小細(xì)節(jié)為02dNA 中，λ0是照明波長(zhǎng)，NA 是光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑（Numerical Apertu多年后，英國(guó)物理學(xué)家瑞利（Lord Rayleigh）提出了物體兩點(diǎn)分Rayleigh Criterion）[4][5]。根據(jù)瑞利判據(jù)，非相干成像條件下,兩好被分辨的條件是，當(dāng)一個(gè)像斑的中心落到另一個(gè)像斑的邊緣好被分辨，即顯微成像系統(tǒng)可分辨的兩點(diǎn)最小距離等于光學(xué)系徑

圖 1-2 Rayleigh Criterion 示意圖[6] Rayleigh 判據(jù)，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，衍射分辨率極限的標(biāo)準(zhǔn)據(jù)（Dawes Criterion）、斯派羅判據(jù)（Sparrow Criterion）[6][7]等單介紹。Dawes Criterion 認(rèn)為人眼剛剛能分辨的兩個(gè)衍射斑之間00 . 5 1dNA 中黑實(shí)線所示。

圖 1-2 Rayleigh Criterion 示意圖[6]ayleigh 判據(jù)，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，衍射分辨率極限的標(biāo)準(zhǔn)（Dawes Criterion）、斯派羅判據(jù)（Sparrow Criterion）[6][7]等介紹。Dawes Criterion 認(rèn)為人眼剛剛能分辨的兩個(gè)衍射斑之間00 . 5 1dNA 黑實(shí)線所示。d>0.61λ0/NA d=0.61λ0/NA d<0.61λ0/NA完全分辨 剛好分辨 不能分辨

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